南黃海北部千里巖隆起帶的第四紀(jì)活動斷裂

沈中延 周建平 高金耀 吳招才 楊春國 陶春輝 楊 勇 張 濤

(國家海洋局第二海洋研究所，國家海洋局海底科學(xué)重點實驗室，杭州 310012)

0 引言

千里巖隆起帶位于南黃海北部海域，南鄰南黃海北部盆地，北接膠東半島(圖1)。膠東半島上的活動斷裂研究開展較多，前人利用遙感、野外露頭勘查、探槽勘查、淺層地震剖面、電子自旋共振(ESR)和熱釋光(TL)等手段獲得了膠東半島主要活動斷裂的平面分布、剖面結(jié)構(gòu)、斷層野外地質(zhì)地貌狀況及活動時代等信息(費美高等，1996;周本剛等，2002;黃永華等，2007)。研究表明，主要斷裂的最新活動時代多數(shù)集中在第四紀(jì)早、中更新世，僅個別斷裂段為晚更新世(周本剛等，2002;黃永華等，2007)。但位于海域的千里巖隆起帶的活動斷裂研究程度則較低，僅利用聲學(xué)探測手段對千里巖斷裂(即千里巖隆起帶北緣斷裂)的活動性進行了初步研究(王志才等，2008)。進入21世紀(jì)，隨著沿海資源的開發(fā)利用和沿海經(jīng)濟的發(fā)展，保證沿海和海洋工程的安全顯得越來越重要(鄧起東等，2002)，尤其是地震安全性。位于山東省沿海的千里巖隆起帶內(nèi)部1932年發(fā)生過級地震(山東省地震局，2009)，因此，對該隆起帶邊緣及內(nèi)部開展活動斷裂研究不僅是一項基礎(chǔ)地質(zhì)工作，也對沿海經(jīng)濟活動過程中的防震減災(zāi)起到科學(xué)指導(dǎo)作用。

圖1 研究區(qū)布格重力異常及主要斷裂Fig.1 Bouguer gravity anomaly and major faults in the Qianliyan Uplift and its adjacent areas.

1 地質(zhì)背景

千里巖隆起帶位于揚子地塊和中朝地塊的交接地帶，關(guān)于這2個地塊在郯廬斷裂以東朝鮮半島以西區(qū)域的古縫合帶位置爭議較多，主要有以下2類觀點:1)縫合帶為單一斷裂帶，但對斷裂帶位置有以下幾種爭議:大致沿著莒縣到煙臺(Yin et al.，1993);五蓮－青島斷裂，向NE—NNE延伸進入南黃海(郝天珧等，1998);嘉山－響水?dāng)嗔?，向東進入黃海，大致沿著千里巖隆起帶南緣(張文佑等，1984);泗陽－連云港－千里巖斷裂(許東禹等，1997);縫合帶在蘇魯?shù)貐^(qū)北邊(Faure et al.，2001)。2)縫合帶不是單一斷裂帶，而是以五蓮－青島－榮城斷裂和嘉山－響水?dāng)嗔阎g的塊體一起作為揚子地塊的北界(郝天珧等，2004)。

盡管前人對板塊邊界認識有爭議，但可以肯定的是，千里巖隆起帶南北邊界斷裂均為深大斷裂。千里巖隆起帶南緣斷裂帶，即南黃海北部斷裂帶，是嘉山－響水?dāng)嗔言诤Ｓ虻难由?北緣斷裂帶即千里巖斷裂帶。這2條斷裂帶在重力異常圖上均有明顯反映，均表現(xiàn)為密集梯度帶。千里巖隆起帶南緣斷裂帶南側(cè)是南黃海北部盆地，總體表現(xiàn)為重力低值異常，千里巖隆起帶總體表現(xiàn)為重力高值異常，千里巖斷裂北側(cè)總體也表現(xiàn)為重力低值異常(圖1)。

千里巖隆起帶這一名稱來源于千里巖島，該島“主要由花崗質(zhì)構(gòu)造片麻巖組成，韌性構(gòu)造變形強烈，在該島中部構(gòu)造片麻巖中發(fā)現(xiàn)呈透鏡狀的榴輝巖脈，呈近EW向展布”(韓宗珠等，2007)，榴輝巖的發(fā)現(xiàn)暗示千里巖隆起帶也與大別山以及膠東超高壓變質(zhì)帶一樣經(jīng)歷了超高壓變質(zhì)作用。揚子－中朝地塊在印支期的碰撞造成了大陸深俯沖、超高壓變質(zhì)和折返，穿過千里巖隆起帶的地震剖面顯示千里巖隆起帶實際上是一個印支－早燕山期的逆沖推覆體，前震旦紀(jì)變質(zhì)巖推覆在古生界之上(楊金玉，2009)，這種擠壓逆沖作用使得當(dāng)時其南側(cè)的南黃海北部盆地為一前陸盆地(馮志強等，2008)。之后，南黃海北部盆地又經(jīng)歷了造山期后陸內(nèi)斷陷盆地階段(K2—E)和區(qū)域沉降覆蓋階段(N—Q)(馮志強等，2008)，形成中－新生代南黃海北部盆地，沉積了大量陸相碎屑巖，鉆遇地層累計厚度達9 450m(沿海大陸架及毗鄰海域油氣區(qū)石油地質(zhì)志編寫組，1987)?，F(xiàn)有資料揭示晚白堊世以來的拉張斷陷作用并沒有波及千里巖隆起帶內(nèi)部，因此推測千里巖隆起從晚白堊世以來為長期隆起。

2 探測方法和測線布設(shè)

斷裂活動性研究主要利用國家海洋局908專項所獲得的多道地震資料。地震數(shù)據(jù)記錄長度為1 024ms，最大的縱向分辨率約為3m，炮間距為18.75m。地震震源為氣槍震源，采用Secerl公司的Mini G GUN空氣槍;地震采集系統(tǒng)采用Geometrics公司生產(chǎn)的R48高分辨率數(shù)字地震儀。

地震測線覆蓋整個千里巖隆起帶，主測線方向為NW－SE向，垂直主構(gòu)造方向;聯(lián)絡(luò)線方向為NE－SW向。大部分主測線切過千里巖隆起帶南、北緣斷裂(圖1)。

3 資料處理與解譯

原始地震資料經(jīng)疊前去噪、地表一致性處理、預(yù)測反褶積、速度分析、疊加剖面分析、疊后時間偏移和疊后去噪等一系列處理之后，最終得到的剖面整體結(jié)構(gòu)清楚，斷點清晰可靠，能較真實反映地質(zhì)結(jié)構(gòu)。

對這些處理后的成果剖面進行了層位拾取以及斷層解釋，其中斷層在剖面上的識別依據(jù)主要有:1)反射波(組)突然錯斷;2)反射同相軸突然增多或減少;3)突然出現(xiàn)的波形雜亂或空白條帶;4)斷面波等。在此基礎(chǔ)上，參考重力、磁力和地形資料(主要為重力資料)輔助斷層的平面組合。

地震層位時代標(biāo)定賦予地震層位以時代意義，準(zhǔn)確可靠的速度資料是開展這項工作的關(guān)鍵。目前并沒有關(guān)于南黃海上部地層的詳細速度資料公開發(fā)表，故本文通過鉆井分層(黃7井，圖1)及鄰近區(qū)域其他已進行層位標(biāo)定的地震剖面(S7線，圖1)進行初步標(biāo)定，其中黃7井提供了第四系底(R1)、上新統(tǒng)底(R2)和中新統(tǒng)底(T2)3個地層界面的約束(圖2 a)，S7線提供中更新統(tǒng)底、第四系底(R1)和中新統(tǒng)底(T2)3個界面(圖2 b)，通過綜合對比，共追蹤出5個層位，依次對應(yīng)于地質(zhì)上的海底面(SB)、中更新統(tǒng)底、第四系底(R1)、上新統(tǒng)底(R2)和中新統(tǒng)底(T2)。

4 第四紀(jì)斷裂特征

通過以上解釋過程，共識別出3條主要的第四紀(jì)斷裂，即千里巖隆起帶南緣斷裂帶(SBFZ)、千里巖隆起帶2號斷裂(F2)以及千里巖隆起帶3號斷裂(F3)。下文對這些斷裂進行分述。

4.1 千里巖隆起帶南緣斷裂帶(SBFZ)

圖2 研究區(qū)地震剖面層位的時代標(biāo)定Fig.2 The determination of age of the seismic horizons.

該斷裂帶是南黃海北部盆地與千里巖隆起帶的邊界，大致呈NE走向延伸，實際形態(tài)為反S形。其中L01、L04和L07 3條主測線沒有切過該斷裂;L10線及其以東的主測線均切過該斷裂帶，L10線以西的S7線(侯方輝，2006)也切過它(圖1)。斷裂帶在剖面上表現(xiàn)各異，走向上變化較大。為了更清楚地了解千里巖隆起帶南緣斷裂帶走向上的變化，我們統(tǒng)計了各條剖面上組成該斷裂帶的斷層條數(shù)、平均斷層間距、褶皺變形強度和最新變形時代等要素(表1)。通過比較發(fā)現(xiàn)，千里巖隆起帶南緣斷裂帶在大部分剖面上都由2條斷層組成，如L13線，2條斷層相距約0.8km，斷裂帶內(nèi)部反射較兩邊雜亂，同向軸不連續(xù)，斷裂帶兩側(cè)地層僅發(fā)生輕微的褶皺(圖3)。但在部分剖面上(L10、L19和L22)斷裂帶由6～8條斷層組成。在大部分剖面上斷裂帶最新變形時間至少為中更新世，僅L16線上為早更新世。值得注意的是侯方輝(2006)認為S7線上千里巖隆起帶南緣斷裂帶“錯斷至早更新世地層，并伴生活動褶皺”，但從原圖中可以看出該斷裂帶錯斷的地層還要更新，明顯已經(jīng)錯斷了中更新統(tǒng)底面。

斷層作用往往伴隨著地層的褶皺，在所有切過千里巖隆起帶南緣斷裂帶的主測線上，斷裂帶附近的地層均出現(xiàn)了褶皺變形，有些褶皺變形較輕微，但部分剖面褶皺變形強度中等—強烈

(如L10和L22)。L10和L22測線上各有一個較明顯的背斜，前翼陡、后翼緩，逆沖方向均從SE向NW，暗示SE－NW向的擠壓。L22測線上該斷裂帶的NW界非常清晰，往SE是一個較大型的背斜，褶皺強烈，整個背斜被數(shù)條斷裂所切割，背斜頂部見地層削截現(xiàn)象，是所有剖面中在該斷裂帶附近變形最強的一條剖面(圖4)。卷入變形的最新地層為下更新統(tǒng)，中－上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)近水平產(chǎn)出，基本沒有變形，不整合覆蓋在下更新統(tǒng)之上。盡管有些斷裂切穿了中更新統(tǒng)底面，但依然可以判斷該褶皺的變形時間在早更新世末期。

表1 千里巖隆起帶南緣斷裂帶在各剖面上的構(gòu)造要素Table 1 Structural parameters of the SBFZ on different sections

圖3 L13線上的千里巖隆起帶南緣斷裂帶Fig.3 SBFZ on section L13.

圖4 測線L22線上的褶皺Fig.4 Fold on section L22.

4.2 其他斷裂

4.2.1 千里巖隆起帶2號斷裂(F2)

僅僅在L16、L19和L22三條測線上有反映，斷層較陡直，斷距很小，但都可以見到同向軸被錯斷的現(xiàn)象，錯斷至下更新統(tǒng)(圖5)，走向NE。

圖5 L19線上的2號斷裂和3號斷裂Fig.5 F2 and F3 on section L19.

4.2.2 千里巖隆起帶3號斷裂(F3)

僅僅在L16、L19、L22和L62線上有反映，斷距和地層變形程度較2號斷裂大(圖5)，走向與2號斷裂平行，也為NE向。錯斷至中－上更新統(tǒng)。

4.2.3 千里巖斷裂(QF)

千里巖斷裂是千里巖隆起帶北界斷裂(圖1)，前人針對千里巖斷裂的聲波探測剖面顯示大致以朝連島斷裂為界，可把千里巖斷裂分為2段，南段晚更新世以來不活動;北段在晚更新世晚期活動(王志才等，2008)，然而在本次調(diào)查的地震剖面上卻基本沒有反映，造成這種不一致性的原因可能是本次調(diào)查獲得地震剖面的縱向分辨率相對聲波淺地層剖面較低，未能揭示一些非常小的錯斷現(xiàn)象。對于這條斷裂詳細的第四紀(jì)活動性評估需在開展更多更細致工作的基礎(chǔ)上再進行。

5 討論

5.1 斷裂變形強弱規(guī)律及成因探討

千里巖隆起帶南緣斷裂帶大致為NE走向，實際形態(tài)為反S形，其變形強度在走向上變化較大，根據(jù)斷裂帶斷層條數(shù)和褶皺變形強度(表1)可以得到如下定性的規(guī)律:L10測線變形中等，L13和L16線變形較弱，L19和L22變形較強，L25和L28線變形較弱，另外，也僅在L10和L22線上出現(xiàn)了明顯的背斜以及背斜頂部的削截現(xiàn)象。

通過對千里巖隆起帶南緣斷裂的平面軌跡進行曲率計算，發(fā)現(xiàn)曲率大小和變形強弱呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系，曲率大的地方變形強，曲率小的地方變形弱(圖6)。也就是說，反S形的千里巖隆起帶南緣斷裂帶向SE和NW的2個彎曲處變形較強。

圖6 千里巖隆起帶第四紀(jì)斷裂和天然地震分布圖(3級以上)Fig.6 Quaternary faults and earthquakes(M S≥ 3.0)in study area.

千里巖隆起帶2號斷裂和3號斷裂延伸不是很長，僅在L16、L19和L22線上有反映，也就是說對應(yīng)于千里巖隆起帶向SE凸起的部位。

晚古生代末期—中生代，揚子－中朝兩大地塊NS向匯聚碰撞造成秦嶺－大別－蘇魯造山帶的隆升(Ernst et al.，2007)，并被一系列NE走向的大型走滑斷層(如郯廬斷裂，即墨－牟平斷裂)所橫向錯斷。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)歷史，筆者認為千里巖隆起帶的雛形就在那時形成。在NS向主壓應(yīng)力作用下，隆起帶南緣斷裂帶的不同區(qū)段受力狀態(tài)明顯不同，NE走向區(qū)段應(yīng)以走滑為主，EW走向區(qū)段應(yīng)以擠壓為主。而研究區(qū)第四紀(jì)變形特征與之不同，最大的變形區(qū)段在千里巖隆起帶向SE和NW的2個彎曲處，由此推斷這種狀況是受到NW向主壓應(yīng)力所致，從構(gòu)造背景上來說，應(yīng)力可能源于菲律賓板塊和歐亞板塊的NW向匯聚作用。

5.2 斷裂第四紀(jì)活動性與天然地震活動

千里巖隆起帶內(nèi)大地震很少，3級以上地震大部分都在隆起帶邊緣或外圍。沿著千里巖隆起帶南緣斷裂帶有一些3級以上地震分布，但大部分還是位于南黃海北部盆地內(nèi)，位于千里巖隆起帶內(nèi)的比較少，在L19線附近有2次3級以上地震，位置上也接近千里巖隆起帶向SE凸出的部位?？紤]到這條斷裂帶第四紀(jì)變形比較強，發(fā)生大地震的可能性也比較大，特別是向SE和NW的2個彎曲處，第四紀(jì)變形最強烈，發(fā)生壓性地震的可能性很大。

6 結(jié)論

(1)經(jīng)過對多道地震的解釋，發(fā)現(xiàn)千里巖隆起帶存在3條第四紀(jì)斷裂(帶)，即千里巖隆起帶南緣斷裂帶、千里巖隆起帶2號斷裂、3號斷裂。

(2)大部分剖面上千里巖隆起帶南緣斷裂帶最新活動時間至少為中更新世，部分剖面為早更新世;千里巖隆起帶2號斷裂最新活動時間為早更新世;千里巖隆起帶3號斷裂最新活動時間為中－晚更新世。

(3)千里巖隆起帶南緣斷裂變形強弱走向上有變化，變形強弱和斷裂平面軌跡的曲率呈現(xiàn)很好的對應(yīng)關(guān)系，曲率大的地方變形強，曲率小的地方變形弱，暗示受到NW向的主壓應(yīng)力，可能源于菲律賓板塊和歐亞板塊的NW向匯聚作用。